為祖國加油 為民族爭氣

高妍　楊進平

石油被譽為“黑色的金子”、“工業(yè)的血液”，它的寶貴已成為世界共識，無需贅言。如何更經(jīng)濟、清潔、安全高效地開發(fā)和利用油氣資源，對實現(xiàn)我國能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略至關(guān)重要。

建國初期，我國石油工業(yè)基礎(chǔ)薄弱，石油勘探開發(fā)技術(shù)及裝備幾乎全部依賴進口。隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，特別是改革開放以來，國內(nèi)油氣供需矛盾日益突出，油氣對外依存度逐年攀升。

為了緩解國內(nèi)油氣供需壓力，上世紀(jì)初我國油氣勘探開發(fā)已開始從內(nèi)陸向偏遠(yuǎn)的沙漠、海洋轉(zhuǎn)移，由淺層向復(fù)雜的深層、超深層推進，勘探領(lǐng)域的擴大對油氣開發(fā)技術(shù)及裝備提出了更高的要求。

然而，國外先進技術(shù)及裝備長期對我國實行封鎖，核心技術(shù)及裝備僅提供服務(wù)，并不出售產(chǎn)品，且服務(wù)價格十分昂貴，嚴(yán)重制約了我國油氣工業(yè)的發(fā)展。

為了促進復(fù)雜油氣領(lǐng)域的勘探開發(fā)，保障國家油氣供應(yīng)，保證國家能源安全，在西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室、石油天然氣裝備教育部重點實驗室、石油管力學(xué)和環(huán)境行為重點實驗室、巖石破碎學(xué)與鉆頭研究實驗室等的大力支持下，劉清友教授在1999年成立了油氣裝備現(xiàn)代設(shè)計與仿真實驗室，旨在解決我國油氣開發(fā)過程中的復(fù)雜桿、管、柱力學(xué)行為問題和核心裝備研發(fā)技術(shù)，打破國外封鎖，實現(xiàn)我國油氣裝備的國產(chǎn)化。

十幾年來，實驗室立足國家戰(zhàn)略需求，圍繞我國石油天然氣裝備領(lǐng)域科學(xué)發(fā)展和技術(shù)進步中的基礎(chǔ)理論問題和應(yīng)用技術(shù)問題，開展了一系列創(chuàng)新性研究工作，取得了多項令人矚目的研究成果并實現(xiàn)應(yīng)用，經(jīng)濟效益和社會效益顯著。

鑄造油氣井的“脊梁”

油氣井桿管柱好比人的“脊梁”，是連接地面和幾千米井底的關(guān)鍵設(shè)備，易因縱、橫、扭耦合振動而發(fā)生磨損、斷裂等事故。隨著油氣資源勘探的發(fā)展，深井、超深井、水平井、大位移井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的管柱力學(xué)行為研究已成為研究焦點。

從上世紀(jì)80年代開始，劉清友教授就帶領(lǐng)團隊從事深井和復(fù)雜結(jié)構(gòu)井桿管柱力學(xué)行為和安全可靠性基礎(chǔ)理論研究工作。

在國家科技重大專項“低滲氣藏完井整體優(yōu)化技術(shù)”“深水油氣井測試關(guān)鍵技術(shù)研究”，國家自然科學(xué)基金項目“基于氣體鉆井的鉆井系統(tǒng)動力學(xué)特性研究”、“基于鉆井系統(tǒng)動力學(xué)的井眼軌跡預(yù)測理論及控制方法研究”等項目的資助下，他們從系統(tǒng)動力學(xué)角度建立了深井管柱力學(xué)行為研究理論模型，取消了國內(nèi)外多年來一直采用周期函數(shù)作為鉆柱下端邊界條件的假設(shè)，率先提出并建立了基于鉆井系統(tǒng)動力學(xué)的井眼軌跡預(yù)測與控制理論。

同時，他們建立了包括深井注水、酸壓、深水測試等在內(nèi)的多套桿—管—柱動力學(xué)模型及設(shè)計方法，完善和發(fā)展了油氣井桿管柱力學(xué)理論體系和研究方法，提高了我國深井和深海復(fù)雜結(jié)構(gòu)井鉆井的整體理論水平。

在對陸上復(fù)雜結(jié)構(gòu)井桿管柱力學(xué)行為研究的基礎(chǔ)上，2010年他們開始針對海洋深水鉆井理論，尤其是深水、超深水鉆井隔水管系統(tǒng)力學(xué)行為及安全控制技術(shù)這一世界難題開展研究工作。

通過多年的理論和實驗研究，劉清友帶領(lǐng)團隊取得了豐碩成果：

在世界上首次提出基于海洋環(huán)境與鉆井工況耦合作用下的隔水管理論分析方法與實驗技術(shù)，發(fā)現(xiàn)了深水鉆井隔水管的“三分之一效應(yīng)”與“上下邊界效應(yīng)”，建立了深水、超深水鉆井隔水管系統(tǒng)力學(xué)行為模型。

研制出了世界上第一套深水鉆井隔水管力學(xué)行為分析實驗系統(tǒng)。

根據(jù)深水、超深深水的海洋環(huán)境載荷及實際鉆井工況，創(chuàng)立了相應(yīng)的安全鉆井技術(shù)體系，編寫了《深水鉆井隔水管安全操作指南》，并成功應(yīng)用于“海洋石油981深水半潛式鉆井平臺”的施工作業(yè)。

系列研究成果先后獲得國家科技進步特等獎、二等獎各1項，獲省部級科技進步獎一等獎2項、三等獎1項。

研制石油裝備“小巨人”

“鉆頭不到，油氣不冒。”鉆頭好比入地的火箭，有石油裝備“小巨人”的稱號，其性能直接影響整個油氣勘探開發(fā)的進程和效益。

1909年，世界上第一只牙輪鉆頭在美國問世。在大半個世紀(jì)的油氣開發(fā)進程中，鉆頭設(shè)計的核心技術(shù)與方法，一直被國外壟斷。

為了改變被動處境，在美國SMITH公司國際合作項目、國家科技重大專項和國家自然科學(xué)基金等10余項項目的資助下，劉清友教授帶領(lǐng)實驗室圍繞深井巖石力學(xué)及破碎學(xué)和高速石油鉆頭設(shè)計分析等重要基礎(chǔ)理論問題和關(guān)鍵技術(shù)開展了系統(tǒng)研究工作。

15年不舍晝夜，15年潛心鉆研，15年持續(xù)攻關(guān)，終于迎來了從理論到技術(shù)到產(chǎn)品最終到應(yīng)用的全面突破。

他們研制了世界上最先進的高壓高溫巖石可鉆性實驗測試系統(tǒng)，建立了基于深井快速鉆井的鉆柱—鉆頭—巖石互作用三維耦合振動系統(tǒng)動力學(xué)模型、牙輪鉆頭九自由度動力學(xué)模型，揭示了牙輪鉆頭破巖機理。

他們解決了含隨機變量、離散變量與連續(xù)變量的非線性復(fù)雜力學(xué)模型的求解難題，開發(fā)出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的鉆頭與井底巖石互作用仿真軟件，并轉(zhuǎn)讓到美國SMITH TOOLS公司在內(nèi)的國內(nèi)外知名鉆頭制造商。

他們創(chuàng)建了牙輪鉆頭破碎巖石的基礎(chǔ)理論體系和優(yōu)化設(shè)計方法，并最終研制出了盤式三牙輪鉆頭、高速牙輪鉆頭、金剛石-牙輪復(fù)合鉆頭等具有自主知識產(chǎn)權(quán)、市場競爭能力強的多種系列鉆頭。

他們的成功打破了少數(shù)國家在深井鉆井提速技術(shù)和鉆頭上的多年壟斷地位，而相關(guān)產(chǎn)品的應(yīng)用，更為我國鉆頭制造企業(yè)和鉆井公司創(chuàng)造經(jīng)濟效益近20億元。

相關(guān)成果與鉆柱系統(tǒng)動力學(xué)成果同獲國家科技進步二等獎1項，四川省科技進步一等獎2項、二等獎1項。

開發(fā)非常規(guī)油氣“利器”

2008年7月29日，“2500型壓裂泵車”進行工業(yè)應(yīng)用。

2013年3月19日，世界首臺“3000HP壓裂泵車”亮相。

它們，特別是“3000HP壓裂泵車”的研制成功，填補了國內(nèi)大型壓裂裝備的空白，極大地滿足了我國非常規(guī)油氣資源的規(guī)模化開發(fā)需求。這兩項成果的研制過程中，劉清友教授及其帶領(lǐng)的團隊發(fā)揮了重要作用。

據(jù)了解，我國非常規(guī)油氣資源儲量巨大，但普遍埋深均在3000米以上，油氣儲層具有高壓力、高應(yīng)力、高熱演化度等典型特征。而大型體積壓裂是開發(fā)該類油氣資源的關(guān)鍵技術(shù)。

劉清友教授介紹，為了解決大規(guī)模體積壓裂核心技術(shù)及裝備國產(chǎn)化難題，實驗室與中石化石油工程機械有限公司第四機械廠開展了聯(lián)合攻關(guān)，并在多年的努力下，突破了大功率壓裂車、超高壓管匯、壓裂泵高強韌材料輕量化技術(shù)、大型集群控制等核心技術(shù)，實現(xiàn)了這兩種類型壓裂泵車的成功研制。

目前，相關(guān)產(chǎn)品已出口至俄羅斯、中東、亞洲等多個國家和地區(qū)，大大提升了我國大型油氣裝備的核心競爭力和國際影響力，獲得了2015年國家科技進步二等獎。

同時，他們的探索沒有放過在非常規(guī)油氣資源中占有重要地位的頁巖氣。我國的頁巖氣資源雖然豐富，但卻存在一個普遍問題：頁巖氣富集地區(qū)位處偏遠(yuǎn)山區(qū)且嚴(yán)重缺水，這嚴(yán)重影響了資源開發(fā)與利用。

為了解決這一難題，劉清友教授帶領(lǐng)團隊在國家973項目、國家自然科學(xué)基金重點項目等的支持下開展了一系列研究，不僅研制出了我國首臺微小井眼連續(xù)管復(fù)合鉆機，還形成了一套氣體鉆水平井的長水平段極限延伸能力計算、水平井氣體攜巖、井斜控制、預(yù)防鉆具斷裂失效等系列技術(shù)體系。

此外，劉清友教授還在國內(nèi)首次提出智能鉆井系統(tǒng)的概念，并根據(jù)水平井施工作業(yè)和油氣長輸管道的可靠檢測需求，于2005年開始開展井下及管道機器人研究工作。

到目前為止，已研制出被動輪式螺旋管道機器人、螺旋履帶式管道機器人、螺旋蠕動式管道機器人、主動螺旋式管道機器人、模塊化管道機器人、液壓蠕動式管道機器人六代樣機。

他們開創(chuàng)性地提出了一種利用鉆井機器人鉆多分枝魚骨徑向微小井眼的頁巖氣儲層鉆完井和增產(chǎn)方法，采用自主研發(fā)的主動螺旋式管道機器人驅(qū)動微鉆頭，沿水平井徑向鉆出50米～200米的微小井眼陣列，再利用液體炸藥進行燃爆，形成深入儲層內(nèi)部的裂縫網(wǎng)絡(luò)，節(jié)約水資源，解決了超過4000米深層頁巖難以實現(xiàn)體積改造的瓶頸問題，引起國內(nèi)外廣泛關(guān)注。

系列研究成果已申請國際專利4項、國內(nèi)發(fā)明專利5項。

十年磨一劍

鍛造石油裝備尖兵

在16年的發(fā)展歷程中，在劉清友教授的帶領(lǐng)下，實驗室已形成一套集基礎(chǔ)理論研究、實驗研究、新產(chǎn)品研制、產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用于一體的石油天然氣裝備及井下工具研發(fā)體系，成為中國油氣開發(fā)裝備領(lǐng)域的領(lǐng)軍者之一。

他們先后承擔(dān)、完成國家973重點基礎(chǔ)研究項目、國家863計劃項目、國家科技重大專項、國家自然科學(xué)基金等各類項目90余項；研究成果先后獲得國家科技進步特等獎1項，國家科技進步二等獎2項，省部級科技進步獎11項；累計獲得美國專利1項、國家發(fā)明專利40余項，申請國際專利13項，開發(fā)專用仿真軟件8套，發(fā)表文章500余篇，撰寫專著8部。

與豐碩成果相伴的，是一支知識結(jié)構(gòu)、年齡結(jié)構(gòu)、學(xué)歷結(jié)構(gòu)、職稱結(jié)構(gòu)及學(xué)緣結(jié)構(gòu)合理的、高水平的、學(xué)術(shù)思想活躍的、一流科學(xué)研究創(chuàng)新團隊的形成。團隊現(xiàn)有專職研究人員28人，涵蓋機械工程、石油工程、計算機科學(xué)、材料工程、電信工程、力學(xué)和數(shù)學(xué)等多個學(xué)科、專業(yè)。多年來，已培養(yǎng)碩、博士研究生100余名，博士后13名，歷屆畢業(yè)生已成為油氣勘探及裝備研發(fā)的骨干成員。

在鍛造團隊、培養(yǎng)人才、修煉“內(nèi)功”的同時，劉清友也帶領(lǐng)實驗室積極與外部實驗室、企業(yè)廣泛合作，強強聯(lián)合。比如他們在高速牙輪鉆頭領(lǐng)域的突破與應(yīng)用，就是與寶石機械成都裝備制造分公司通力合作的結(jié)晶，而“連續(xù)油管鉆機”則是與四川宏華石油設(shè)備有限公司共同完成……

2009年5月，四川省石油化工裝備產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟隆重成立，該聯(lián)盟由西南石油大學(xué)聯(lián)合四川石油管理局鉆采工藝技術(shù)研究院、四川石油管理局裝備制造公司等9家四川省石油天然氣裝備龍頭企業(yè)共同成立，旨在通過產(chǎn)學(xué)研合作，加速推進高校在石油及天然氣裝備制造領(lǐng)域的科技成果轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化，進一步提升四川乃至全國在石油化工裝備領(lǐng)域的技術(shù)水平。

這一聯(lián)盟的成立，為劉清友教授和實驗室提供了更廣闊的平臺與資源，更利于相關(guān)成果的加速轉(zhuǎn)化應(yīng)用。

到目前為止，他們自主研制了我國首臺連續(xù)油管鉆機、世界首臺“3000HP壓裂泵車”，主持及參加了盤式牙輪鉆頭、浮動套軸承高速牙輪鉆頭、金剛石-牙輪復(fù)合鉆頭、深井鉆機、高性能振動篩、鐵鉆工、海洋修井機、高壓井口裝置、旋轉(zhuǎn)防噴器、高壓閥門、高性能封隔器、井下機器人等10多種新產(chǎn)品的研制。

每一項成果，都是從解決關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問題出發(fā)，以成果工業(yè)、產(chǎn)業(yè)化為目標(biāo)，已經(jīng)先后在寶雞石油機械有限責(zé)任公司、四川宏華石油裝備制造公司、江漢石油鉆頭股份有限公司、中石化石油工程機械有限公司第四機械廠等20余家主要油氣裝備制造企業(yè)轉(zhuǎn)化10多種、60多個系列的新產(chǎn)品和新技術(shù)，在中石油、中石化和中海油等所屬的20余個國內(nèi)油氣田推廣應(yīng)用。產(chǎn)品遠(yuǎn)銷中東、獨聯(lián)體、北美、蘇丹等40個國家和地區(qū)，不僅打破了國外的技術(shù)壟斷，推動了我國油氣裝備產(chǎn)業(yè)技術(shù)由國外引進向國內(nèi)自主研發(fā)轉(zhuǎn)變，引領(lǐng)了行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，更使我國由石油裝備進口國變成出口國，為我國石油裝備制造業(yè)的發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)。

“為祖國加油，為民族爭氣?！边@并不是一句虛幻的口號，而是一個需要踏實踐行，為之奮斗終身的錚錚誓言。劉清友教授和他所領(lǐng)導(dǎo)的油氣裝備現(xiàn)代設(shè)計與仿真實驗室，正是這句誓言的忠實踐行者。“不經(jīng)一番寒徹骨，哪得梅花撲鼻香。”今天的成績是靠艱苦奮斗一點點積累而來的，油氣裝備現(xiàn)代設(shè)計與仿真實驗室將繼續(xù)奮勇前行，為我國石油行業(yè)的發(fā)展培養(yǎng)精兵強將，為我國石油裝備的騰飛鑄造尖兵利器！